Долговечность безавтоклавных силикатных материалов на основе природного наноразмерного сырья Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

Вестник БГТУ им. В.Г. Шухова 2011, №2

СТРОИТЕЛЬСТВО И АРХИТЕКТУРА

Лесовик В. С., чл.-корр. РААСН, д-р. техн. наук, проф.,

Володченко А. А., аспирант Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова

ДОЛГОВЕЧНОСТЬ БЕЗАВТОКЛАВНЫХ СИЛИКАТНЫХ МАТЕРИАЛОВ НА ОСНОВЕ ПРИРОДНОГО НАНОРАЗМЕРНОГО СЫРЬЯ*

volodchenko@intbel.ru

Установлено, что на основе природного наноразмерного сырья, представленного песчано-глинистыми породами Курской магнитной аномалии можно получать атмосферостойкие безавтоклавные стеновые силикатные материалы с низкими энергозатратами. Морозостойкость составляет 15 циклов, что соответствует показателям рядового кирпича. В качестве вяжущего можно использовать молотую известь или известково-глино-песчаное вяжущее. Выбор вяжущего зависит от вещественного состава используемых песчано-глинистых пород.

Ключевые слова: песчано-глинистые породы, нанодисперсное сырье, известь, известково-песчано-глинистое вяжущее, тепловлажностная обработка, силикатные материалы, долговечность.

К приоритетному направлению развития экономики нашей страны относится жилищная программа. Решение этой программы связано с внедрением новых эффективных строительных материалов и изделий, к которым в полной мере можно отнести силикатные материалы, отличающиеся высокими эксплуатационными и технико-экономическими показателями. По традиционной технологии для производства автоклавных силикатных материалов используется кварцевый песок. В качестве сырья можно также использовать промышленные отходы, и, в частности, вскрышные песчано-глинистые породы, которые попадают в зону горных работ при добыче полезных ископаемых [1, 2]. Это сырье, обладающее свойствами природных наноразмерных частиц, ускоряет процесс взаимодействия породообразующих минералов с вяжущим компонентом не только при автоклавной обработке, но и в тепловлажностных условиях при атмосферном давлении, что позволяет получать безавтоклавные силикатные материалы с высокими физико-механическими характеристиками [3].

Одним из важных критериев качества силикатных материалов является их долговечность, которая определяется способностью материала сопротивляться комплексному действию атмосферных и других факторов в условиях эксплуатации. Несмотря на высокие технико-экономические показатели силикатных материалов, образом составом цементирующего соединения, а наличие в сырьевой смеси глинистых минералов может оказать отрицательное влияние прочность цементирующей связки, долговечность для таких материалов становится весьма актуальной.

Цель настоящей работы - изучение долговечности безавтоклавных силикатных материалов на основе природного наноразмерного сырья и получение эффективных стеновых строительных материалов по энергосберегающей технологии.

Для исследований в качестве природного наноразмерного сырья использовали песчано-глинистую породу региона Курской магнитной аномалии. Гранулометрический состав породы представлен в табл. 1.

Таблица 1

Гранулометрический состав породы

Содержание фракций, мас. %, размер сит, мм

более 0,315 0,3150,20 0,200,125 0,1250,10 0,100,05 0,050,04 0,040,01 0,010,005 менее 0,005

1,3 2,95 5,10 6,35 12,90 5,82 42,95 5,70 16,93

По гранулометрическому составу и числу графического и рентгенографического анализа пластичности (6) породу можно охарактеризо- глинистая фракция породы представлена нано-вать как супесь пылеватую. По данным термо- размерными минералами: монтмориллонитом,

гидрослюдой, каолинитом и смешаннослойными образованиями.

В качестве известкового компонента использовали негашеную комовую известь ОАО «Стройматериалы» (г. Белгород). Активность извести составляла 78,3 мас. %, температура гашения 97,5 °С, время гашения - 4 мин 30 сек.

Образцы готовили методом полусухого прессования. Предварительно измельченную известь и супесь перемешивали в заданном соотношении, увлажняли необходимым количеством воды и выдерживали в герметичной камере до полного гашения извести. Сырьевые смеси готовили с содержанием извести 5, 8, 10, 12 и 15 мас. %. Формовочная влажность смеси составляла 10 %. Прессование проводили на лабораторном прессе ПСУ-10 при давлении 20 МПа.

Образцы подвергали гидротермальной обработке в пропарочной камере при температуре 9095 °С по режиму 1,5+8+1,5 ч. Для полученных образцов определяли предел прочности при сжатии, среднюю плотность, водопоглощение, коэффициент размягчения. Для оценки влияния действия воды на прочностные свойства полученного материала образцы каждого состава выдерживали в течение 1 года в водопроводной воде. Каждые 2 месяца воду меняли. По истечении указанного времени образцы испытывали на прочность в водонасыщенном состоянии. Результаты экспериментов приведены в табл. 2 и на рис. 1.

Таблица 2

Физико-механические характеристики образцов на основе супеси_

Физико-механические характеристики Содержание извести, мас. %

5 8 10 12 15

Предел прочности при сжатии, МПа 17,80 18,60 22,58 17,50 16,70

Предел прочности при сжатии водонасыщен-ных образцов, МПа 14,00 14,4 18,35 17,46 15,73

Коэффициент размягчения 0,79 0,78 0,81 0,99 0,94

Средняя плотность, кг/м3 1880 1855 1850 1815 1755

Водопоглощение, % 13,03 13,20 13,85 14,26 16,76

Предел прочности при сжатии водонасыщен-ных образцов после года хранения в воде, МПа 22,10 25,24 28,10 34,71 29,45

40

* 30

5

£ о К

^ 20

к

о К

5

6

и 10

&

&

/ <

и--"" --- --" / <1

>—».

----

10

Содержание извести, мас. %

15

Рисунок 1. Предел прочности при сжатии образцов в зависимости от содержания извести: 1 - образцы после 2-х сут выдержки при комнатной температуре; 2 - водонасыщенные образцы; 3 - водонасыщенные образцы после года хранения в воде

0

5

Увеличение содержания извести с 5 до 10 мас. % повышает прочность образцов с 17,8 до 22,58 МПа (см. рис. 1, кривая 1). Увеличение содержания извести до 15 мас. % снижает прочность до 16,7 МПа. Максимальная прочность образцов в водонасыщенном состоянии (18,35 МПа) также соответствует содержанию извести 10 мас. % (см. рис. 1, кривая 2). Коэффициент размягчения составляет 0,78-0,99, что свидетельствует о высокой водостойкости полученного материала (см. табл. 2). Средняя плотность с увеличением содержания извести уменьшается с 1880 до 1755 кг/м3, водопоглощение увеличивается с 13,03 до 16,75 %.

Результаты испытаний водонасыщенных образцов, выдержанных 1 год в воде, показали значительное повышение прочности в сравнении с водонасыщенными образцами, которые не подвергались длительному хранению в воде (см. рис. 1, кривая 3). Максимальной прочности 34,71 МПа образцы достигают при содержании извести 12 мас. %. При этом прочность, в сравнении с образцами без длительного хранения в а

воде повысилась в два раза (см. табл. 2). Это связано с тем, что породообразующие минералы породы и, в частности, ее наноразмерная составляющая обеспечивают синтез цементирующего соединения, обладающего гидравлическими свойствами.

На микрофотографии исходного образца (рис. 2, а), содержащего 10 мас. % извести, наблюдается скопление глобул размером до 0,5 мкм, которые связаны сеткой из слабоокристал-лизованных низкоосновных гидросиликатов кальция. Глобулы, вероятно, представляют собой промежуточные соединения, образующиеся при синтезе новообразований из тонкодисперсной части породообразующих минералов песча-но-глинистой породы, и, прежде всего глинистых минералов и извести. Новообразования покрывают также поверхность заполнителя. Здесь происходит формирование кристаллизационной структуры. Это обеспечивает полученному материалу высокую прочность и водостойкость.

б

Рисунок 2. Микроструктура образцов на основе супеси с содержанием 10 мас. % извести, РЭМ: а - исходный образец; б - после года хранения в воде

Микроструктура образца после года хранения в воде существенно отличается от исходного образца (см. рис. 2, б). Количество глобул становится значительно меньше. В тоже время увеличивается количество слабоокристаллизо-ванных гидросиликатов кальция, которые, образуя сплошную сетку, практически полностью заполняют поры, покрывают поверхность заполнителя и скрепляют между собой его зерна. Можно сделать вывод, что глобулы представляют собой промежуточные соединения, образующиеся при синтезе новообразований из тонкодисперсной части породообразующих минералов породы, и, прежде всего глинистой составляющей и извести. В водной среде во времени

процесс образования гидросиликатов кальция продолжается, что приводит к формированию более прочной микроструктуры цементирующего соединения. Кроме этого слабоокристаллизо-ванные гидросиликаты кальция представляют собой нестабильную фазу, способную во времени, и особенно в водной среде, подвергаться перекристаллизации, что также приводит к изменению структуры цементирующего соединения. Вероятно, эти процессы обеспечивают гидравлические свойства полученных силикатных материалов.

В представленных выше результатах экспериментов в качестве вяжущего использовалась молотая негашеная известь. С целью интенси-

фикации синтеза новообразований в дальнейших экспериментах часть песчано-глинистой породы подвергалась совместному помолу с известью. Сырьевую смесь готовили путем смешивания полученного известково-песчано-глинистого вяжущего (ИПГВ) с исходной супесью. Общее содержание извести в сырьевой смеси составляло 10 мас. %. В экспериментах использовались составы с ИПГВ, в которых соотношение извести к супеси составляло 1:1, 1:1,5, 1:2, 1:2,5. Образцы формовали из сырьевых смесей влажностью 12 % при давлении 20 МПа. Образцы подвергали гидротермальной обработке в пропарочной камере при температуре

90-95 °С по режиму 1,5+8+1,5 ч. Для полученных образцов определяли предел прочности при сжатии, среднюю плотность, водопоглощение, коэффициент размягчения, морозостойкость, а также подвергали воздействию попеременного увлажнения и высушивания. Для этого образцы выдерживали в воде 4 ч и затем высушивали в сушильном шкафу при температуре 105 °С в течение 4 ч. Образцы испытывали после 100 циклов переменного увлажнения и высушивания. Результаты экспериментов приведены в табл. 3 и на рис. 3.

Таблица 3

Физико-механические свойства силикатных материалов на основе ИПГВ

Физико -механичес кие характеристики Соотношение известь: супесь в вяжущем

1:1 1:1,5 1:2 2,5

Предел прочности при сжатии, МПа 18,90 19,60 20,02 20,20

Предел прочности при сжатии водонасыщенных образцов, МПа 14,40 14,24 15,84 14,24

Коэффициент размягчения 0,76 0,73 0,79 0,71

Средняя плотность, кг/м3 1890 1900 1910 1855

Водопоглощение, % 10,63 10,07 10,87 10,85

Предел прочности при сжатии после 100 циклов попеременного увлажнения и высушивания, МПа 28,20 30,28 34,17 32,85

Предел прочности при сжатии после 100 циклов попеременного увлажнения и высушивания в водонасыщенном состоянии, МПа 19,91 23,67 23,67 23,67

Коэффициент размягчения образцов после испытания на атмосферостойкость, % 0,71 0,78 0,70 0,73

Потеря прочности после 15 циклов попеременного замораживания и оттаивания, % 0,78 0,81 0,73 0,77

40

35

30

I 25

& 20

о

° 15

т о

& 10

с;

ф

Ф 5

а.

IZ

1:1 1:1,5 1:2 1:2,5

Соотношение известь:супесь в вяжущем

Рисунок 3. Предел прочности при сжатии образцов на основе ИПГВ в зависимости от состава вяжущего: 1 - после пропарки; 2 - водонасыщенные; 3 - после 100 циклов попеременного увлажнения и высушивания; 4 - после 100 циклов попеременного увлажнения и высушивания в водонасыщенном состоянии

0

Изменение соотношения извести к супеси с 1:1 до 1:2,5 приводит лишь к незначительному повышению прочности образцов с 18,9 до 20,2 МПа (см. табл. 3 и рис. 3). Необходимо отметить, что прочность образцов, для которых в качестве вяжущего использовалась только молотая известь, составляет 22,58 МПа (см. табл. 2). Можно сделать вывод, что использование в качестве вяжущего ИПГВ вместо молотой извести не повышает прочности изделий, а даже несколько снижает.

Можно предположить, что содержание минералов наноразмерного уровня в исходной супеси достаточно для формирования прочной микроструктуры цементирующего вещества и увеличение тонкодисперсной составляющей за счет дополнительного помола части породы приводит к формированию состава новообразований, снижающих прочностные показатели материала. При помоле супеси в сырьевой смеси увеличивается содержание тонкодисперсного кварца, за счет которого в условиях пропарки синтезируется больше слабокристаллизованных гидросиликатов кальция, т. е. увеличивается доля гелевидных новообразований. При этом вероятно, нарушается оптимальное соотношение между гелевидной и кристаллической составляющей, что и приводит к снижению прочности.

Средняя плотность образцов при изменении соотношения извести к супеси с 1:1 до 1:2 увеличиваться с 1890 до 1910 кг/м3 и далее снижается до 1855 кг/м3. Причем, для всех этих составов средняя плотность выше, чем для образцов, а

щл

Щ

I лЖ

«Г ЧмуШиНС 1Ш шф " М

Мад = 15,00 КХ I I ЕНТ= 15.00 кУ 14 ш Ядпа1 А = ЭЕ2 М311 НЭМЭ РИо(о N0. = 7121 Огйе :21 Лап 2010

Рисунок 4. Микроструктура образца а - исходный образец; б - после 100 циклов

Большое количество наблюдаемой геле-видной фазы подтверждает высказанное выше предположение о снижении прочности образцов на основе ИПГВ за счет нарушения оптимально-

в которых в качестве вяжущего использовалась молотая известь (см. табл. 2 и 3). Соответственно, за счет увеличения плотности упаковки материала снижается водопоглощение. Значения коэффициента размягчения (0,71-0,79) свидетельствуют о хорошей водостойкости полученных образцов (см. табл. 3).

Испытания на морозостойкость показали, что полученные силикатные материалы выдерживают 15 циклов попеременного замораживания-оттаивания. По такому показателю морозостойкости силикатные кирпичи соответствуют рядовым.

После испытания на попеременное увлажнение-высушивание прочность образцов существенно возросла (см. табл. 3 и рис. 3). Повышение прочности составило от 49,2 % (для состава ИПГВ 1:1) до 87,7 % (для состава ИПГВ 1:2). Следовательно, оптимальное соотношение извести к супеси в вяжущем составляет 1:2. Коэффициент размягчения образцов после испытания на попеременное увлажнение-высушивание составил 0,73-0,81.

Микроструктура образцов с составом ИПГВ 1:1 была изучена с помощью растрового электронного микроскопа (рис. 4). Новообразования представлены слабоокристаллизованными низкоосновными гидросиликатами кальция, образующими сплошную сетку, которая покрывает поверхность заполнителя и скрепляет между собой его зерна. В узлах поверхности сетки наблюдаются глобулы (см. рис. 4, а).

б

на основе ИПГВ состава 1:1, РЭМ: попеременного увлажнения и высушивания

го соотношения между гелевидной и кристаллической составляющей в составе цементирующего соединения.

Микроструктура образца после 100 циклов попеременного увлажнения и высушивания существенно изменяется (см. рис. 4, б). Глобулы в структуре новообразований практически отсутствуют. Появляются участки с плотными образованиями, пространство между которыми заполнено сеткой слабоокристаллизованных низкоосновных гидросиликатов кальция. Структура цементирующего соединения становится более плотной.

Можно сделать вывод, что повышение прочности композитов после попеременного увлажнения и высушивания связано с гидравлическими свойствами полученного материала. Очевидно, при нахождении образцов в воде дальнейшая гидратация и перекристаллизация новообразований оказывает большее влияние на повышение прочности материала, чем разрушающее действие при попеременном увлажнении и высушивании.

Таким образом, на основе изучаемого сырья можно получать атмосферостойкие безавтоклавные силикатные материалы, прочность которых в процессе эксплуатации может даже повышаться за счет гидравлических свойств цементирующего соединения. Морозостойкость составляет 15 циклов, что соответствует показателям рядового кирпича. Использование в качестве вяжущего ИПГВ вместо молотой извести несколько снижает прочностные показатели силикатных материалов. Оптимальное соотношение извести к супеси в вяжущем составляет 1:2. Выбор в качестве вяжущего молотой извести

или ИПГВ для получения высоких прочностных показателей силикатных материалов будет зависеть, вероятно, от вещественного состава используемых песчано-глинистых пород.

*Работа выполнялась при финансовой поддержке в рамках ФЦП "Научные и научно-педагогические кадры инновационной России" на 2009-20013 годы и АВЦП "Развитие научного потенциала высшей школы" на 2009-2010 год.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Лесовик, В. С. Повышение эффективности производства строительных материалов с учетом генезиса горных пород [Текст] / В.С. Лесовик. - М.: Изд-во АСВ, 2006. - 526 с.

2. Лесовик, В.С. Снижение материалоемкости автоклавных материалов [Текст] / В.С. Лесовик, А.Н. Володченко // Здоровье населения -стратегия развития среды жизнедеятельности: в 2 т.: сб. ст. к Общему собранию РААСН / Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова. - Белгород: Изв-во БГТУ, 2008. - Т. 2. - С. 242-251. - ISBN 978-5361-00067-8.

3. Лесовик, В.С. Влияние наноразмерного сырья на процессы структурообразования в силикатных системах [Текст] / В. С. Лесовик, В. В. Строкова, А.А. Володченко // Научно-теоретический журнал «Вестник БГТУ им. В.Г. Шухова», 2010. - № 1. - С. 13-17. - ISSN 20717318.